ARTIGO TÉCNICO 38
revista técnico-profissional
o electricista
Fernando J. T. E. Ferreira Dep. Eng. Eletrotécnica, Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) Instituto de Sistemas e Robótica, Universidade de Coimbra (ISR-UC)
motores de indução trifásicos industriais
{BENEFÍCIOS TÉCNICO-ECONÓMICOS ASSOCIADOS AO MAPEAMENTO DA CARGA MÁXIMA E À REBOBINAGEM OTIMIZADA}
Na maioria das indústrias, mais de 65% da energia elétrica é consumida por motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo. Dada a sua relevância em termos de consumo energético, pequenos ganhos no seu rendimento podem traduzir-se em poupanças de energia muito significativas.
I› INTRODUÇÃO Atualmente, mais de 90% dos Sistemas Elétricos de Força Motriz (SEFM) industriais integram Motores de Indução Trifásicos com Rotor em Gaiola de Esquilo (MIRG), sendo estes responsáveis pelo consumo de mais de 65% da energia elétrica no setor industrial da União Europeia (UE). Dada a sua relevância em termos de consumo energético, pequenos ganhos no seu rendimento podem traduzir-se em poupanças de energia muito significativas. No setor industrial dos países desenvolvidos, em média, o valor da energia consumida por um MIRG ao longo do seu tempo de vida útil, de 12 a 20 anos, é 60 a 200 vezes superior ao seu custo inicial. Neste tipo de máquinas, do ponto de vista do seu custo de ciclo de vida, o seu rendimento é, de longe, mais importante do que o custo inicial, uma vez que influi diretamente no seu consumo energético e, consequentemente, no seu custo de funcionamento. Este aspeto é particularmente importante no caso dos MIRG com um elevado número de horas de funcionamento e potência superiores a 5,5 kW. Igualmente importante é o Fator de Potência (FP) deste tipo de motores, que se deve manter no valor mais elevado possível para
minimizar a circulação de correntes reativas nos cabos e transformadores de potência e, assim, reduzir o seu nível de carga e as suas perdas [1]. Finalmente, vale a pena referir que o rendimento e o FP dos MIRG se degrada significativamente para cargas muito baixas, pelo que se estiverem fortemente sobredimensionados, estes parâmetros apresentarão valores muito inferiores aos nominais. No entanto, por diversas razões, a grande maioria dos MIRG industriais estão sobredimensionados, estimando-se que no setor industrial da UE o fator de carga médio seja ligeiramente inferior a 60%, que é um valor muito baixo [1]. Neste artigo, evidencia-se a importância de mapear o nível de carga máximo dos MIRG nas plataformas industriais, como parte integrante de um bom plano de manutenção, que, para os motores fortemente sobredimensionados, deverá incluir a sua substituição por motores novos de menor potência ou a sua rebobinagem otimizada. Descrevem-se ainda os passos básicos para a aplicação em larga escala de uma estratégia de rebobinagem otimizada, como forma de adequar os MIRG à sua carga máxima e, consequentemente, melhorar o seu rendi-
mento e FP. Esta estratégia constitui uma alternativa de baixo custo ao investimento em motores novos de alto rendimento.
II› MAPEAMENTO DO NÍVEL DE CARGA MÁXIMO No contexto da manutenção industrial, para uma seleção correta e bem fundamentada de motores novos para substituir motores existentes que avariam ou com um mau desempenho, é necessário conhecer a sua carga real máxima, se a respetiva duração ao longo do ciclo de funcionamento for relevante. Note-se que, se a carga máxima for atingida durante um curto espaço de tempo, poderá não ser relevante para o motor do ponto de vista térmico e de consumo energético. Alternativamente, esta informação pode ser utilizada para reprojetar/otimizar os enrolamentos estatóricos ou alterar o seu tipo de ligação, por forma a melhorar o seu rendimento e FP no ponto de carga real [2]. Por que é que o conhecimento da carga real máxima é tão importante? A resposta é simples. Por exemplo, nos casos em que se pretende substituir um motor existente fortemente sobredimensionado (avariado ou
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Figura 1 . Exemplo ilustrativo das curvas de rendimento e FP em função da carga para um MIRG de baixa potência (< 15 kW), antes e depois da rebobinagem otimizada [3].
Assim, é possível reduzir simultaneamente as potências ativa e reativa, podendo isto conduzir a elevadas poupanças de energia e à redução do nível de carga e das perdas nos cabos e transformadores de potência a montante do motor, libertando-se alguma capacidade na instalação elétrica. Refirase, porém, que a nova potência nominal do motor se torna menor do que a original de forma definitiva, exceto se for feito um projeto mais complexo (enrolamentos de múltiplas ligações) que permita maximizar o rendimento do motor para um conjunto de potências diferentes (até 6) [1, 2]. A rebobinagem otimizada é uma excelente solução de baixo custo para motores sobredimensionados de Classe inferior ou igual à IE1 (antigas Classes EFF2 e EFF3), podendo estes ser convertidos em motores de Classe IE2 ou IE3, consoante os casos. Para além do sobredimensionamento, outra condição de elegibilidade dos MIRG para a aplicação da rebobinagem otimizada é o bom estado do núcleo ferromagnético e do rotor, para não comprometer o valor do rendimento máximo (ou de pico) que se pode obter com o reprojeto. Para motores de potência igual ou superior a 5,5 kW, esta solução é uma excelente alternativa de baixo custo à compra de motores novos de alto rendimento, evitando possíveis despesas de readaptação da fixação e da transmissão mecânica. No entanto, refira-se que, para cargas com elevada inér-
cia e/ou elevado binário resistente a baixas velocidades, o tempo de arranque pode ser consideravelmente mais longo, podendo ser necessário substituir ou reajustar os dispositivos de proteção e/ou comando do motor. O custo típico de uma rebobinagem otimizada equivale a 40-50% do preço de um motor novo de Classe IE1 e, tipicamente, as poupanças de energia resultantes podem variar entre 5 e 20%, dependendo de diversos fatores. Nos casos mais favoráveis, o tempo de retorno do investimento é inferior a 2 anos. Em suma, quando aplicada aos MIRG sobredimensionados, a rebobinagem otimizada tem as seguintes vantagens: › Custo reduzido; › Aumento do rendimento e do FP do motor; › Redução do consumo de energia ativa e reativa; › Redução das perdas e da carga da instalação elétrica; › Não requer a readaptação mecânica do motor à carga; › Tempo de retorno do investimento reduzido.
no aumento do rendimento (ou eficiência) dos SEFM é essencial. Na maioria das indústrias, os MIRG são a carga elétrica mais importante. O dinheiro despendido com o melhoramento do desempenho deste tipo de máquinas não deve ser encarado como um custo mas sim como um investimento, uma vez que se, na maioria dos casos, se pode recuperar num curto espaço de tempo e permite obter poupanças energéticas muito significativas ao longo do seu ciclo de vida. O conhecimento da carga dos MIRG é essencial na gestão da sua manutenção e/ou substituição, permitindo reduzir os investimentos e, simultaneamente, maximizar o rendimento e o fator de potência dos SEFM. A rebobinagem otimizada dos MIRG fortemente sobredimensionados (carga inferior a 65%) apresenta-se como uma solução alternativa de baixo custo à compra de motores novos de alto rendimento e/ou de reguladores de tensão (ou controladores de binário). Porém, não se aplica aos motores equipados com VEV, onde a atenção se deve centrar na relação tensão-frequência aplicada, no caso de se usar controlo escalar, tendo em conta a caraterística mecânica da carga acionada. Para motores com níveis de sobredimensionamento extremamente elevados, uma opção de muito baixo custo para melhorar o seu rendimento e fator de potência é a alteração do tipo de ligação dos enrolamentos de triângulo para estrela.
V› AGRADECIMENTOS O autor agradece à empresa Optisigma – Energia e Ambiente, Lda. (website: www.optisigma.pt.vu; geral.optisigma@gmail.com) e ao Instituto de Sistemas e Robótica, Universidade de Coimbra (ISR-UC) pela informação técnica disponibilizada.
REFERÊNCIAS
As principais desvantagens são: › Redução permanente da potência do motor; › Aumento do tempo de arranque do motor.
IV› CONCLUSÕES Atualmente, tendo em conta a elevada competitividade industrial e a tendência de aumento do custo da energia elétrica, a aposta
[1] Ferreira, F.: “Strategies to Improve the Performance of Three-Phase Induction Motor Driven Systems”, Ph. D. Thesis, University of Coimbra, Coimbra, Portugal, 2009; [2] Ferreira, F.; de Almeida, A.: “Induction motor downsizing as a low-cost strategy to save energy”, Journal of Cleaner Production, Elsevier, Volume 24, pp.117-131, March 2012; [3] Ferreira, F.; de Almeida, A.: “Overview and Novel Proposals on In-Field Load Estimation Methods for Three-Phase Squirrel-Cage Induction Motors”, Inter. Conf. on Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS’09), Conf. Proc. CD, Nantes, France.